有机化学---第17章 杂环化合物

N S
噻唑芳香性较弱，且由于N原子电负性较碳原子强，
发烟H2SO4 HgSO4 ,250℃
N HO3S S
28
吡唑
N N H
吡唑具有弱碱性。
电取代反应。
Br2 CH3 COOH , H2O
吡唑芳香性较明显，能发生卤代、硝化、磺化等亲
Br N N H
29
N N H
（7） 颜色反应 呋喃 吡咯 噻吩 糠醛
降低 ；
③ 吡啶的亲电取代反应发生在电 子云密度相对较高的β-位。这 一特性很类似于硝基苯。 ④ 吡啶在α、γ -位可发生亲核取代反应。
δ δ
γ
δ δ δ
β α
N
δ
16
三、五元杂环化合物的化学性质
X2 / 低温
X2 = Cl2, Br2
CH3 COONO2 -5~-30℃
1、亲电取代反应
z
X
z
NO2
20
（3） 噻吩
噻吩存在于煤焦油的粗苯中，为无色油状液体， b.p.84℃。 噻吩比苯容易发生亲电取代，发生于α-位。 利用磺化反应可分离苯和噻吩：
(
¡ b.p81 C)
¨± ¡ ¡¡¡
¨ Å H2SO4 Ò Î Ê Â Ö Ò · º ô Á Õ ó
Þ à Î ç · Ô ± ½
S ¡ ( b.p84 C) .
② 五元杂环化合物的芳香性比苯差。其芳香性次序是：
N H
S
离域能
O
kJ / mol
150.5
117
88
67
原因：杂原子电负性O>N>S，故其给电子能力 为S>N>O，环上电子云密度高低顺序为： >
S
>
N H
O
13
③ 五元杂环化合物是富电子体系，环上的电 尤其易发生在α- 位。进行亲电取代反应的
子云密度比苯高，其亲电取代反应比苯容易， 活泼顺序是：
p轨道
sp 杂化
2
s 轨道
π
C
C O C
6 5
C
富电子体系
未参与共轭
10
噻吩与呋喃有相似的结构。
N
N: 2s 2p
2 3
p轨道
不等性sp 杂化
2
s 轨道
C
C N
π6 6
等电子体系
C C C
未参与共轭
11
2、具有芳香性的杂环与苯环的异同点
（1） 五元杂环化合物
Z C
4 3 2
C2
C3
C3
C4
呋wenku.baidu.com 吡咯 噻吩
HCl—松木片 HCl—松木片 H2SO4—靛红 醋酸—苯胺
绿色 红色 蓝色 红色
——用于区分鉴别五元杂环
30
四、六元杂环化合物的化学性质 1、吡啶
亲核试剂进攻部位
γ
δ δ
亲电试剂进攻部位
β
δ
N
α
碱性与成盐
31
（1）碱性与成盐
CH3NH2 NH3 N NH2
pkb
3.36
4.75
8.8
9.3
吡啶环上有供电子基时将使碱性增强。
CH3I
N CH3
N
CH3
24
① 吡咯的酸性。 ② 吡咯环不如苯环稳定，易被氧化成醌型结构。
③ 吡咯容易发生亲电取代反应，其活性与苯胺类似。
I I
I2 / NaOH
I N H I
N H
N2+Cl
-
N H
N N
④ 吡咯还发生还原或加氢反应生成二氢或四氢吡咯。*
25
（5） 吲哚
由苯环和吡咯环稠并而成，又称苯并吡咯。 吲哚几乎无碱性，可与碱金属作用。
H2 / Ni
O O
HCl 140℃
Cl(CH2)4Cl
NaCN
NC(CH2)4CN
H2O / H+
HOOC(CH2)4COOH
H2NCH2(CH2)4CH2NH2
19
NC(CH2)4CN
H2 / Ni
（2） 糠醛
O
CHO
α-呋喃甲醛
① 具有一般醛的化学性质，可发生亲核加成、氧化
(如银镜反应） 、还原等反应。
编号；
④ 若环上连有不同的取代基，其命名遵循“次
序规则”和“最低系列原则”。
N3
5
O2N N3
H3 C HOCH2 CH2 N3 S
1
H3 C
N1 H
O1
5-甲基咪唑
4-硝基噁唑
4-甲基-5-(2’-羟乙基)噻唑 7
⑤ 稠杂环的编号，一般和稠环芳烃相同，但有
少数稠杂环另有一套编号方式。
N
O
1
N1 H
OH
6
S1
苯并呋喃
1
苯并吡咯 喹啉
N
9 7 8
苯并噻唑
N N
3
5 4
HO
N H
OH
2, 6, 8-三羟基嘌呤 尿酸 8
二、杂环化合物的结构与芳香性
1、杂环化合物为何具有芳香性？
N: 2s 2p
2 3
N H
p轨道
sp 杂化
2
s 轨道
C C C C N H
π
6 5
富电子体系
9
O
4 O: 2s 2p
2
2-呋喃甲醛 α-呋喃甲醛
COOH
3-噻吩甲酸 β-噻吩甲酸
2,3-吡啶二甲酸 α,β-吡啶二甲酸
5
N
COOH
② 当环上有多个相同杂原子时，应使杂原子位
次之和最小；
N N H1
N1
N
N O1
N S1
imidazole
pyrimidine
oxazole 噁唑
thiazole
咪唑
嘧啶
噻唑
6
③ 当环上有不同杂原子时，按O→S→N的次序
S
SO3H ¨ ¡¡ á ¡¡
噻吩是五元杂环化合物中最稳定的一个，性质最
接近苯。不具备共轭二烯的性质，但可加氢、加氯。 21
（3） 噻吩
噻吩比苯容易发生亲电取代，发生于α-位。
噻吩是五元杂环化合物中最稳定的一个，性质最接近
苯。不具备共轭二烯的性质，但可加氢、加氯。
H2 / Pd
S S
[O] [O]
的许多衍生物在医药上具有重要意义，特别是抗疟类
药物。 喹啉及其衍生物通常用Skraup合成法来合成。
CH2 CH CH2 OH OH OH
H2SO4 -H2O
CHO CH CH2
H2N
H O C NH
H HO C NH
H2SO4
Ph-NO2
N H
N
38
若用邻羟基苯胺代替苯胺，则可制备8-羟基喹啉。
第十七章
杂环化合物
一、杂环化合物的分类和命名 二、杂环化合物的结构和芳香性 三、五元杂环化合物
四、六元杂环化合物
1
一、杂环化合物的分类和命名
1、杂环化合物的涵义
成环原子除碳以外，还有其它如O、N、S、P等杂
原子的环状化合物，统称为杂环化合物。
非芳香性杂环化合物, 如： 杂环化合物 芳香性杂环化合物 O 、 N H
Br
Cl
+ N CH3
I
N ..
+ N NO2
BF4
+ N Ph CO
Cl
PhCOCl 石油醚
SO3 CH2Cl2
+ N
SO3
33
（2） 吡啶环上的亲电取代反应 吡啶的亲电取代反应比苯困难，需在较强的条件 下方可发生，且发生在β-位。
Br2 300℃
N Br
β-溴代吡啶
HNO3,H2SO4 300℃
吲哚具有芳香性，亲电取代反应发生在吡咯环上； 吲哚亲电取代反应的活性比苯高，但比吡咯低。 亲电取代反应的位置：
5 4 3 7
E+
1
苯 环
6
N H
2
吡咯环
26
进攻 C2 N H + E
+
进攻 C3
只有一个带有完 E N 2 H 整苯环的共振杂化体。 H 3 E 3 E H H + + N N H H
0.136(0.143) 0.1370(0.147) 0.1714(0.182)
0.1361 0.1383 0.1370 C =C 0.134
0.1430 0.1417 0.1423 C C 0.154
Z Z = O、NH、S
结 论：
① 五元杂环化合物分子中的键长一定程度上发生了平
12
均化，且具有一定程度的不饱和性及环的不稳定性。
然而由于氮原子的吸电子作用，使吡咯显示出一定
23
的酸性，但酸性较弱(Ka = 10-15)，需在强碱下方可成盐。
+
N H
KOH (NaNH2)
N K (Na)
+
H2O (NH3)
吡咯钠、钾盐类似于酚钠, 可用于合成一系列吡咯衍生物
CH3COCl
N COCH3
N COCH3
N K
+
CO2
H2O
N H COOH
N SO3H
N
HNO3 H2SO4
N
+
Br
Br2 , H2SO4 Ag2SO4 ,
CH3 a N b N CH3 c N d
CH3
N
pka
5.17
5.79
5.68
6.02
碱 性：
d ＞ b ＞ c ＞ a
32
吡啶遇酸便形成稳定的盐。
若用非质子的硝化、磺化试剂，或用卤素、卤代烷、
酰氯与吡啶环进行反应，也将形成相应的吡啶盐。
Br2 / CCl4
+ N Br
CH3I
HCl
+ N H
+ NO2 BF4 Et2O
35
（3）吡啶环上的亲核取代反应
吡啶环的亲核取代反应主要发生在α-位和γ-位，被
取代的可以是氢原子，也可以是易于离去的基团。
NaNH2 - H2
H2O
N NHNa
N
N
NH2
CH3ONa NaOH
N O CH3
Br Br N
NH3 , ZnCl2
N
220℃
Cl
NH2
N
NH2
NH3 , H2O 160℃
N
Br
36
(4) 氧化
吡啶的氧化同苯相似，芳杂环保留，而侧链被氧化，
产物为吡啶甲酸。
CH3 N
KMnO4
N
COOH
NH3
N
CONH2
烟酸
CH3
COOH
烟酰胺
CONHNH2
O2 , V2O5 / 硅酸
N
N
NH2NH2.H2O
N
异烟肼 （雷米封）
37
异烟酸
2、 喹啉 喹啉在常温下为无色油状液体，b.p 238℃。喹啉
、 内酯、环状酸酐等。
环为平面型共轭体系，环内π电子数符合4n+2规 则，具有一定芳香性的杂环化合物。
2
2、杂环化合物的分类
五元杂环, 如 单杂环 六元杂环, 如 杂环化合物 稠杂环 两个以上单杂环稠并
N N N H
O N
N H
S
苯环与单杂环稠并, 如 N H
N
N
3
3、杂环化合物的命名 （1）音译法 ——在同音汉字左边 + 口字旁
N ..
H2SO4,HgSO4 220℃
N
N
NO2
β-硝基吡啶
SO3H
β-吡啶磺酸
34
当吡啶环上连有供电子基团时，将有利于亲电取
代反应的发生；反之，就更难以进行亲电取代反应。
NO2
HNO3,H2SO4
H3 C N CH3
100℃
H3 C
N
CH3
吡啶环也象硝基苯一样，不能发生F―C烷基化和 酰基化反应。
O
N H
S
N
furan 呋喃
pyrrole 吡咯
thiophene 噻吩
pyridine 吡啶
indole 吲哚
N H
N
quinoline 喹啉
4
（2）杂环及环上取代基的编号
① 母体杂环的编号：杂原子的编号为“1”；
杂原子邻位的碳原子也可依次用α、β、γ…编号。
COOH
N H
CH3
CHO O
S
2-甲基吡咯 α-甲基吡咯
有两个带有完整苯环的共振杂化体。
+
吲哚加成反应仍发生在吡咯环上。
O
C H2C O O H N H β - 吲哚乙酸 一种植物生长促进剂
H N C
=
C N H
靛 蓝 一种染料
27
=
O
（6） 噻唑、吡唑及其衍生物
S
..
N
未参与共轭
噻唑碱性很弱 (pKa=2.5) ，可与酸作用成盐。
因而其环上电子云密度比噻吩低，不易发生亲电取代反 应，如卤代、硝化、磺化等。
+ N SO3
z Z = NH, O, S
ClCH2 CH2 Cl
z
SO3
H + - N
HCl
z
SO3H
Z = NH, O
(CH3)2C=CH2 ZnCl2
噻吩可直接用浓H2SO4室温磺化
C(CH3)3
z
(CH3CO)2O SnCl4
z
特点：使用较为温和的试剂或反应条件。
COCH3
17
2、常见的五元杂环化合物 （1）呋喃 呋喃存在于松木焦油中，为无色液体，难溶于水 而易溶于有机溶剂，b.p为32℃。 性质： ① 较温和条件下发生亲电取代反应；
② 性质与苯甲醛类似，可发生Cannizzaro反应、与含
α-H的醛或酮的交叉缩合反应、与乙酐发生珀金反应等。
2 O CHO O CHO
+
浓 NaOH
O
COONa
+
O
CH2OH
+
CH3 CHO
CH CHCHO O
+
+
HOH
CHO O
+
(CH3CO)2O
CH3COONa
CH CHCOOH O
CH3COOH
S O
S O O
噻吩能发生氯甲基化反应：
+
S
HCHO
+
HCl
ZnCl2
O
CH2Cl
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（4） 吡咯
吡咯存在于骨焦油中，无色油状液体，b.p.131 ℃ ，
微溶于水，易溶于有机溶剂。
① 吡咯的酸碱性： 由于氮上的未共用电子对参与了
N H
共轭体系，难以与H+结合，故基本不 显碱性(pkb=13.6)。
H2SO4
NO2
+
NH2 OH
H2 C CH
CHO
N OH
有利于亲电取代反应的 发生,且主要发生在5, 8 -位。
有利于亲核取代反应的
活化环
N ..
碱性
发生, 且主要发生在2 - 位。
钝化环
39
(1) 碱性 与吡啶相似，具有弱碱性(pkb=9.15)。 (2) 亲电取代反应
NO2
H2SO4 220℃
② 芳香性较弱，具有部分共轭二烯的性质，因而呋
喃及其衍生物容易进行Diles-Alder反应和一般的亲电
加成反应。
O
O
O
30℃
O H O H
18
+
O O
O
+
O
Br2
CH3 COOK CH3OH
H Br O
H Br
呋喃在Ni催化下，易于加氢生成四氢呋喃(THF) ——良好的溶剂和重要的有机合成原料。
N H
O
S
14
（2）六元杂环化合物
0.140
4 3 2
0.139 0.147 单 0.134 0.128 双
N
结 论：
① 吡啶环的键长发生了较大程度的平均化，C ―C
键虽与苯相似，但C ―N键变化很大，因此，其
芳香性也比苯差。
15
② 吡啶和苯虽都属等电子体系，但其亲电取代反应 性能比苯差。 原因：氮原子的电负性较大，使得环上的电子云密度